Le suivi de l'état de santé et de la réactivité émotionnelle chez l'individu est au cœur de la médecine de demain ; il participe notamment au développement de nouveaux services de soins en santé tels que la médecine à domicile, la médecine mobile ou encore la médecine personnalisée. Cependant il nécessite d'une part la définition d'indicateurs adaptés à la mesure en environnement complexe, et d'autre part la conception d'exocapteurs et d'instrumentations intégrés dans l'environnement de l'individu. Les travaux de cette thèse présentent la démarche nécessaire au passage de mesures physiologiques en laboratoire à celles des conditions de la vie de tous les jours, en s'articulant autour de deux axes d'étude : Le premier axe concerne la conception et le développement d'une instrumentation ambulatoire pour la mesure de paramètres physiologiques en conditions écologiques. Le système portable EmoSense conçu pour la mesure de la fréquence cardiaque, de la résistance cutanée et de la température cutanée permet l'identification de nouveaux indicateurs de la réactivité émotionnelle à partir de mesures réalisées en situations réelles. L'expérimentation présentée sur l'objectivation du stress chez les personnes aveugles pendant leur déplacement en milieu urbain a permis la construction d'un nouvel indicateur pour l'analyse de l'activité électrodermale. Par ailleurs, cette démarche met en avant l'importance de la mise en place de plateformes ayant pour objectif de fournir un support pour l'expérimentation en conditions écologiques, telles que les Living Lab. La seconde partie des travaux est consacrée à la mesure de l'activité électrodermale (résistance électrique cutanée) pendant la conduite de véhicule. Cette mesure est basée sur la conception et le développement d'un volant instrumenté. Ce travail illustre les difficultés technologiques liées à la mesure de signaux bioélectriques par exocapteurs pour leur intégration dans l'environnement de l'individu. Nous proposons ainsi une topologie innovante de placement des électrodes dans le but d'optimiser les facteurs de disponibilité et de robustesse du signal liés à la mesure de signaux bioélectriques par exocapteurs.

Ce manuscrit de thèse propose l'optimisation de l'ensemble de la chaîne de reproduction sonore dans un système embarqué. Le premier axe de recherche introduit les notions générales concernant les systèmes audio embarqués nécessaires à la bonne compréhension du contexte de la recherche. Le principe de conversion de l'ensemble de la chaine est présenté afin de comprendre les différentes étapes qui composent un système audio. Un état de l'art présente les différents types de haut-parleurs ainsi que l'électronique associé les plus couramment utilisées dans les systèmes embarqués. Le second axe de recherche propose une approche globale : une modélisation électrique du haut-parleur (tenant compte d'un nombre optimal de paramètres) permet à un électronicien de mieux appréhender les phénomènes non-linéaires du haut-parleur qui dégradent majoritairement la qualité audio. Il en résulte un modèle viable qui permet d'évaluer la non-linéarité intrinsèque du haut-parleur et d'en connaitre sa cause. Les résultats des simulations montrent que le taux de distorsion harmonique intrinsèque au haut-parleur est supérieur à celui généré par un amplificateur. Le troisième axe de recherche met en avant l'impact du contrôle du transducteur. L'objectif étant de savoir s'il existe une différence, du point de vue de la qualité audio, entre la commande asservie par une tension ou par un courant, d'un micro-haut-parleur électrodynamique. Pour ce type de transducteur et à ce niveau de la modélisation, le contrôle en tension est équivalent à contrôler directement le haut-parleur en courant. Néanmoins, une solution alternative (ne dégradant pas davantage la qualité audio du signal) pourrait être de contrôler le micro-haut-parleur en courant. Le quatrième axe de recherche propose d'adapter les spécifications des amplificateurs audio aux performances des micro-haut-parleurs. Une étude globale (énergétique) démontre qu'un des facteurs clés pour améliorer l'efficacité énergétique du côté de l'amplificateur audio est la minimalisation de la consommation statique en courant, en maximalisant le rendement à puissance nominale. Pour les autres spécifications, l'approche globale se base sur l'étude de l'impact de la spécification d'un amplificateur sur la partie acoustique. Cela nous a par exemple permis de réduire la contrainte en bruit de 300%. Le dernier axe de recherche s'articule autour d'un nouveau type de transducteur : un micro-haut-parleur en technologie MEMS. La caractérisation électroacoustique présente l'amélioration en terme de qualité audio (moins de 0,016% de taux de distorsion harmonique) et de plage de fréquence utile allant de 200 Hz à 20 kHz le tout pour un niveau sonore moyen de 80dB (10cm). La combinaison de tous les efforts présente un réel saut technologique. Enfin, la démarche globale d'optimisation de la partie électrique a été appliquée aux performances du MEMS dans la dernière section, ce qui a notamment permis de réduire la contrainte en bruit de 500%.

Les mémoires non-volatiles programmables une fois sont en plein essor dans le monde de l’électronique embarquée. La traçabilité, la configuration ou encore la réparation de systèmes sur puce avancés font partis des applications adressées par ce type de mémoire. Plus particulièrement, la technologie antifusible présente des propriétés de sécurité autorisant le stockage d’information sensible.Ce travail de thèse est orienté vers la compréhension des mécanismes de claquage d’oxydes minces sollicités pour la programmation des cellules antifusibles ainsi que l’intégration au niveau système de moyens de détections. Une première étape fut d’étudier les phénomènes de claquage de diélectrique type SiO2 et à haute permittivité sous l’application d’un fort champ ́électrique. Des techniques de mesures dédiées ont été développées afin de réaliser des caractérisations dans les conditions de programmation des mémoires antifusible sollicitant des temps au claquage inférieurs à la micro-seconde. Ces mesures ont ensuite permis l’étude statistique du claquage des diélectriques ainsi que la modélisation sous de hautes tensions ; hors des gammes étudiées traditionnellement dans le domaine de la fiabilité. Le modèle proposé permet l’optimisation des dimensions d’une cellule élémentaire en fonction d’un temps au claquage défini au préalable. Un mécanisme inattendu occasionnant un sur courant substrat a également été mis en évidence pendant la phase de programmation. L’étude de ce phénomène a été réalisée par des caractérisations électriques et des simulations afin de conclure sur l’hypothèse d’un déclenchement d’un transistor bipolaire parasite de type PNP dans la cellule antifusible. L’impact des conditions de programmation sur le courant de lecture mesuré sous une basse tension a également été analysé. Des structures de tests analogiques dédiés ont été conçues afin de contrôler l’amplitude du courant de programmation. Le contrôle du temps de programmation est quant à lui accompli par un système de détection de courant et de temporisation. Finalement, ces solutions sont validées par un démonstrateur d’une capacité de 1-kb conçu et fabriqué sur une technologie CMOS standard avancée 32nm. / Non-volatile one-time programmable memories are gaining an ever growing interest in embedded electronics. Chip ID, chip configuration or system repairing are among the numerous applications addressed by this type of semiconductor memories. In addition, the antifuse technology enables the storage of secured information with respect to cryptography or else. The thesis focuses on the understanding of ultrathin gate-oxide breakdown physics that is involved in the programming of antifuse bitcells. The integration of advanced programming and detection schemes is also tackled in this thesis. The breakdown mechanisms in the dielectric material SiO2 and high-K under a high electric field were studied. Dedicated experimental setups were needed in order to perform the characterization of antifuse bitcells under the conditions define in memory product. Typical time-to-breakdown values shorter than a micro second were identified. The latter measurements allowed the statistical study of dielectric breakdown and the modeling in a high voltage range, i.e. beyond the conventional range studied in reliability. The model presented in this PhD thesis enables the optimization of the antifuse bitcell sizes according to a targeted mean time-to- breakdown value. A particular mechanism leading to a high bulk current overshoot occuring during the programming operation was highlighted. The study of this phenomenon was achieved using electrical characterizations and simulations. The triggering of a parasitic P-N-P bipolar transistor localized in the antifuse bitcell appeared as a relevant hypothesis. The analysis of the impact of the programming conditions on the resulting read current measured under a low voltage was performed using analog test structures. The amplitude of the programming current was controlled in an augmented antifuse bitcell. The programming time is controlled by a programming detection system and a delay. Finally, these solutions are to be validated using a 1-kb demonstrator yet designed and fabricated in a logic 32-nm CMOS process.

Le suivi de l'état de santé et de la réactivité émotionnelle chez l'individu est au cœur de la médecine de demain ; il participe notamment au développement de nouveaux services de soins en santé tels que la médecine à domicile, la médecine mobile ou encore la médecine personnalisée. Cependant il nécessite d'une part la définition d'indicateurs adaptés à la mesure en environnement complexe, et d'autre part la conception d'exocapteurs et d'instrumentations intégrés dans l'environnement de l'individu. Les travaux de cette thèse présentent la démarche nécessaire au passage de mesures physiologiques en laboratoire à celles des conditions de la vie de tous les jours, en s'articulant autour de deux axes d'étude : Le premier axe concerne la conception et le développement d'une instrumentation ambulatoire pour la mesure de paramètres physiologiques en conditions écologiques. Le système portable EmoSense conçu pour la mesure de la fréquence cardiaque, de la résistance cutanée et de la température cutanée permet l'identification de nouveaux indicateurs de la réactivité émotionnelle à partir de mesures réalisées en situations réelles. L'expérimentation présentée sur l'objectivation du stress chez les personnes aveugles pendant leur déplacement en milieu urbain a permis la construction d'un nouvel indicateur pour l'analyse de l'activité électrodermale. Par ailleurs, cette démarche met en avant l'importance de la mise en place de plateformes ayant pour objectif de fournir un support pour l'expérimentation en conditions écologiques, telles que les Living Lab. La seconde partie des travaux est consacrée à la mesure de l'activité électrodermale (résistance électrique cutanée) pendant la conduite de véhicule. Cette mesure est basée sur la conception et le développement d'un volant instrumenté. Ce travail illustre les difficultés technologiques liées à la mesure de signaux bioélectriques par exocapteurs pour leur intégration dans l'environnement de l'individu. Nous proposons ainsi une topologie innovante de placement des électrodes dans le but d'optimiser les facteurs de disponibilité et de robustesse du signal liés à la mesure de signaux bioélectriques par exocapteurs. / Improvement in quality and efficiency of health and medicine, at home and in hospital, has become of paramount importance. The solution to this problem would require the continuous monitoring of several key patient parameters, including emotional reactivity analysis, in order to assist the development of mobile Health or personalized Health. But it often requires a new definition of commonly used indicators to adapt them for an in situ monitoring, and also the design of exo-sensors and instrumentations integrated in the environment. This PhD work contributes to the definition of the steps leading experiments from laboratory to real-life conditions: First a new ambulatory device was developed to enable the measurement of heart rate, electrodermal activity and skin temperature during in situ experiments, for the definition of new indicators of emotional reactivity. Experimenting in real-life settings has led to the definition of a novel, more pertinent parameter for the evaluation of stress in the blind when walking in urban space.These results were very encouraging for the use of such ambulatory devices for experiments under real-life conditions, such as Living Labs. The second part deals with the assessment of electrodermal activity while driving. This work is based on the design and the development of a steering wheel enabling the measurement of galvanic skin resistance. This has shown the challenges and issues of the assessment of bioelectric signals with exo-sensors for their integration in the human environment. Therefore we propose a new and innovative topology of electrodes on the steering wheel, for the optimization of the amount of available data and the quality of biolectric signals.

Ce manuscrit de thèse propose l'optimisation de l'ensemble de la chaîne de reproduction sonore dans un système embarqué. Le premier axe de recherche introduit les notions générales concernant les systèmes audio embarqués nécessaires à la bonne compréhension du contexte de la recherche. Le principe de conversion de l'ensemble de la chaine est présenté afin de comprendre les différentes étapes qui composent un système audio. Un état de l'art présente les différents types de haut-parleurs ainsi que l'électronique associé les plus couramment utilisées dans les systèmes embarqués. Le second axe de recherche propose une approche globale : une modélisation électrique du haut-parleur (tenant compte d'un nombre optimal de paramètres) permet à un électronicien de mieux appréhender les phénomènes non-linéaires du haut-parleur qui dégradent majoritairement la qualité audio. Il en résulte un modèle viable qui permet d'évaluer la non-linéarité intrinsèque du haut-parleur et d'en connaitre sa cause. Les résultats des simulations montrent que le taux de distorsion harmonique intrinsèque au haut-parleur est supérieur à celui généré par un amplificateur. Le troisième axe de recherche met en avant l'impact du contrôle du transducteur. L'objectif étant de savoir s'il existe une différence, du point de vue de la qualité audio, entre la commande asservie par une tension ou par un courant, d'un micro-haut-parleur électrodynamique. Pour ce type de transducteur et à ce niveau de la modélisation, le contrôle en tension est équivalent à contrôler directement le haut-parleur en courant. Néanmoins, une solution alternative (ne dégradant pas davantage la qualité audio du signal) pourrait être de contrôler le micro-haut-parleur en courant. Le quatrième axe de recherche propose d'adapter les spécifications des amplificateurs audio aux performances des micro-haut-parleurs. Une étude globale (énergétique) démontre qu'un des facteurs clés pour améliorer l'efficacité énergétique du côté de l'amplificateur audio est la minimalisation de la consommation statique en courant, en maximalisant le rendement à puissance nominale. Pour les autres spécifications, l'approche globale se base sur l'étude de l'impact de la spécification d'un amplificateur sur la partie acoustique. Cela nous a par exemple permis de réduire la contrainte en bruit de 300%. Le dernier axe de recherche s'articule autour d'un nouveau type de transducteur : un micro-haut-parleur en technologie MEMS. La caractérisation électroacoustique présente l'amélioration en terme de qualité audio (moins de 0,016% de taux de distorsion harmonique) et de plage de fréquence utile allant de 200 Hz à 20 kHz le tout pour un niveau sonore moyen de 80dB (10cm). La combinaison de tous les efforts présente un réel saut technologique. Enfin, la démarche globale d'optimisation de la partie électrique a été appliquée aux performances du MEMS dans la dernière section, ce qui a notamment permis de réduire la contrainte en bruit de 500%. / This thesis proposes the optimization of the whole sound reproduction chain in an embedded system. The first research axis is introduces the general concepts concerning audio systems necessary for the good understanding of the context of research. The principle of conversion of the entire chain is presented to understand the stages that make up a sound system. A state of the art presents various loudspeakers and the associated electronics most commonly used in embedded systems. The second research axis proposes a global approach: electric modeling of loudspeaker (taking into account an optimum number of parameters) that allows electronics engineer a better understanding of the nonlinear phenomena that degrade mostly audio quality in loudspeakers. It results in a sustainable model which evaluates the intrinsic non-linearity in loudspeakers and to know its cause. The simulation results show that the total harmonic distortion intrinsic to the loudspeaker is higher than that the distortion generated by an amplifier. The third research axis highlights the impact of the control of the transducer. The aim is to find out if there is a difference, in terms of audio quality, between the feedback control by voltage or current, for an electrodynamic micro-speaker. For this type of transducer and at this level of modeling, voltage control is equivalent to directly control the current of the micro-speaker. However, an alternative solution (not further degrading the signal audio quality) could be to control directly the micro-speaker by a current. The fourth research axis proposes to adapt the audio amplifiers specification to the performance of the micro-speakers. A comprehensive study of an energy point of view shows that a key factor for improving the energy efficiency of the audio amplifier is the minimization of the static power consumption and the maximization of the performance at nominal power. For other specifications, the global approach is based on the study of the impact of the specification of an amplifier on the sound pressure level. This has allowed, for example to reduce the stress in output noise voltage by a ratio of 300 %. The last research axis focuses on a new type of transducer: a micro-speaker in MEMS technology. Electroacoustic characterization shows the improvement: in terms of audio quality (less than 0.016 % total harmonic distortion) and the useful frequency range from 200 Hz to 20 kHz, the whole for an average sound level of 80 dB (10 cm). The combination of all the efforts presents a real technological leap. Finally, the overall process of optimization of the electrical part has been applied to the performance of MEMS in this last section, which has resulted, for example, in a reduction in the noise constraint of 500 %.